système de mise ne tension d`une corde centre d`intérêt ci4
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Sciences industrielles pour l’ingénieur Lycée Saint-Louis, classes de PSI SYSTÈME DE MISE NE TENSION D’UNE CORDE CENTRE D’INTÉRÊT CI4 DOSSIER D’ÉTUDE Activités proposées – Système « Cordeuse » CI4 Page 1 sur 9 Sciences industrielles pour l’ingénieur Lycée Saint-Louis, classes de PSI CONTEXTE D’UTILISATION DE CE SYSTÈME Modèle mécanique à masse réglable, utilisé jusqu’aux années 1990 Modèle à tension réglable en continu par asservissement, utilisé depuis Présentation de l’activité Secteur d’activité du matériel étudié dans ce TP : loisirs sportifs, système de réglage des éléments de jeu Support : système de mise en tension d’une corde de raquette, appelé « cordeuse » Thème : analyse fonctionnelle, modélisation, identification au point de fonctionnement Références au programme : analyse fonctionnelle, structure, modélisation et correction des systèmes linéaires, continus et invariants Activités proposées – Système « Cordeuse » CI4 Page 2 sur 9 Sciences industrielles pour l’ingénieur Lycée Saint-Louis, classes de PSI Extrait du cahier des charges fonctionnel de ce système Fonction FS1 Tendre une corde à une tension définie par l’utilisation avec une bonne fidélité Critères Stabilité Précision Rapidité Amortissement Niveau Marge de gain MG = 10 dB Marge de phase Mϕ = 45° Erreur statique inférieure à 15 % Erreur en perturbation inférieure à 5 % Répétabilité : variations inférieures à 10 % Tension atteinte en moins de 2 s Premier dépassement inférieur à 5 % Flexibilité Minimum Minimum Nulle Nulle Conseillée Conseillée Conseillée Présentation du problème technique Pour que les joueurs de tennis ou de badminton puissent atteindre leur meilleur niveau de jeu, il est indispensable que leurs raquettes soient cordées à leur convenance et avec des tensions précisément identiques sur des raquettes différentes afin que le changement en cours de jeu ne les perturbe pas. Pour cela, il est nécessaire de disposer d’un appareil permettant d’installer une corde sur un cadre et de générer une tension dans celle-ci avec une excellente fidélité (les différences de tensions sont sensibles lors du jeu). Les centres de compétition et les magasins spécialisés disposent de machines improprement appelées « à corder les raquettes » (ou « cordeuses » dans le texte) du type de celle qui sera étudiée aujourd’hui. Activités proposées – Système « Cordeuse » CI4 Page 3 sur 9 Sciences industrielles pour l’ingénieur Lycée Saint-Louis, classes de PSI PREMIÈRE PARTIE Observation et analyse du système Mise en route du système étudié Mettre le système en route : mettre le matériel sous tension (l’interrupteur, de couleur rouge, est situé sur le côté droit de la cordeuse) mettre le rack sous tension (l’interrupteur, de couleur noire, est situé derrière le rack) lancer le logiciel en cliquant sur l’icône correspondant situé dans le menu démarrer ... Les manipulations peuvent maintenant commencer. Activité 1 L’objectif de cette manipulation est d’observer la méthode utilisée pour tendre un brin et le maintenir. Réaliser pour cela les opérations suivantes : • vérifier que la corde est attachée à l’anneau du capteur d’effort • faire pivoter le cadre de façon à mettre l’extrémité de la corde fixée sur le capteur d’effort à l’opposé du pupitre puis passer la corde fixée sur le capteur d’effort dans un œillet de la grille opposée et la ramener vers le mors de tirage • fixer la corde sur le mors de tirage (en l’engageant dans la fente médiane ) • mettre la machine sous tension (bouton à l’arrière, à droite du pupitre) • programmer un effort dans la corde de 25 kgf (kg force) sur le pupitre, ce qui correspond à un effort (en N) de F = 25 x 9,81 = 245,25 N • appuyer légèrement sur le bouton poussoir (au dessus du pupitre) pour mettre en tension la corde (l’appui trop ferme bloque le bouton, ce qui est absolument à éviter) • observer le léger mouvement alternatif du mors de tirage lorsque la corde est tendue • déplacer la pince la plus proche de la corde au voisinage de la corde et au plus près possible du pupitre puis serrer le brin de corde tendu à l’aide de cette pince • appuyer à nouveau sur le bouton poussoir pour relâcher l’effort • observer le léger pivotement de la pince lors de l’opération précédente Quelles sont les conséquences du léger pivotement de la pince sur la valeur de la tension dans la corde lorsqu’on relâche la traction du mors sur la corde ? Quelle est la manipulation que l’utilisateur doit effectuer pour limiter ce pivotement et donc la variation de tension qui en résulte ? Si nécessaire, faire une manipulation de validation de votre conclusion. Remarque : une étude de la technologie de la commande permet de montrer que le léger mouvement alternatif observé vient pour une petite part de l’élasticité de la corde et pour une grande part de la commande cyclique du variateur de commande à deux quadrants (de type hacheur : voir le cours de sciences physiques) : on observe en effet quasiment la même période d’oscillation quelle que soit la raideur de la corde. Activité 2 Question subsidiaire (ne pas y passer trop de temps) On pourrait vérifier que, après plusieurs enroulement dans les œillets du cadre de raquette, on a des tensions légèrement différentes dans les différents brins du cordage : quels sont les principaux facteurs qui influencent cette dispersion ? Comment le constructeur a-t-il limité cette dispersion ? Activités proposées – Système « Cordeuse » CI4 Page 4 sur 9 Sciences industrielles pour l’ingénieur Lycée Saint-Louis, classes de PSI Activité 3 Installer une corde dans le mors, mettre la corde en tension (mettre une tension suffisante, par exemple 25 kgf comme précédemment) puis valider qu’elle est tendue (il suffit de la toucher !). Éteindre la cordeuse : que remarque-t-on ? Nous verrons plus tard quel élément technologique permet cet effet. L’objectif est maintenant de mesurer la tension effective dans le brin tendu. On utilisera pour cela la chaîne de mesure installée sur la station : capteurs, acquisition par la carte du boîtier, traitement et affichage par l’ordinateur via le logiciel de traitement. Activité 4 Réaliser pour cela les opérations suivantes après avoir préparé la mesure comme précédemment : • appuyer sur le bouton « Départ mesure » situé sur tableau de bord du boîtier blanc (bouton poussoir noir), ce qui déclenche la mesure (durée : 10 s) puis appuyer sur le bouton poussoir (au dessus du pupitre) pour mettre en tension la corde • réaliser rapidement (en moins de 5 à 7 s : il ne faut pas atteindre la fin de l’acquisition) la manipulation précédente, c’est-à-dire maintenir le brin de corde tendu à l’aide d’une pince en la disposant au plus près du cadre du coté du mors de tirage • appuyer à nouveau sur le bouton poussoir pour relâcher la tension (il faut avoir appuyé sur ce bouton avant la fin de la période de 10 s, sinon recommencer l’essai). • importer les résultats Les résultats des mesures sont disponibles pour une exploitation par le logiciel. Parmi tous les paramètres obtenus par mesure, on souhaite afficher la courbe représentant l’effort effectif dans la corde en fonction du temps : • revenir à la page d’accueil du logiciel puis sélectionner le bouton [Courbes] • choisir le bouton [Abscisse] puis désigner l’icône représentant le temps • choisir le bouton [Ordonnée] puis désigner l’icône représentant l’effort effectif dans la corde • sélectionner le numéro de la mesure puis sélectionner l’option [Tracer] Analyser la courbe fournie et expliquer physiquement les trois phases constatées. On s’attachera particulièrement à l’analyse des évolutions globales et aux fluctuations cycliques observées. Vérifier en particulier les tensions avant et après la mise en place de la pince et celles avant et après relâchement de l’action de traction par le mors. Le cahier des charges impose une perte de tension maximale de 15 % après fixation sur la pince : est-elle respectée ? Conclusion. Comparer la tension mesurée par le capteur propre de la machine (ressort de compression + potentiomètre linéaire : voir le mécanisme de tension de la corde) et celle mesurée par le capteur d’effort sur lequel est fixée la corde : conclure sur les raisons de la différence observée. Défaire la corde fixée dans la pince et refaire deux mesures dans les mêmes conditions que précédemment (ces mesures doivent être faites par chacun des deux membres du binôme). Le cahier des charges impose une fidélité meilleure que 10 % : la cordeuse est-elle fidèle ? est-elle précise ? Conclusion. Activités proposées – Système « Cordeuse » CI4 Page 5 sur 9 Sciences industrielles pour l’ingénieur Lycée Saint-Louis, classes de PSI DEUXIÈME PARTIE Analyse fonctionnelle de la cordeuse Prendre connaissance des documents fournis dans le dossier technique (sur le réseau, dans le dossier RESSOURCES\SII\Travaux Pratiques\TP Capsuleuse) Prendre connaissance du fichier résumé sur les outils de l’analyse fonctionnelle et sur la structure des chaines fonctionnelles • Fichier Outils de l’analyse fonctionnelle.pps disponible sur le réseau, dans le dossier ressource (RESSOURCES\SII\Travaux Pratiques\Outils de l'analyse fonctionnelle) La cordeuse de raquette en situation d’usage (dans un club de tennis) Activité 5 Réaliser le diagramme S.A.D.T. du niveau A-0 du système « cordeuse de raquette en situation d’usage ». Préciser la frontière d’isolement et mettre en évidence la typologie des entrées, sorties et contrôles de ce système. Que deviendrait cette analyse si on englobait dans la frontière d’isolement l’opérateur réalisant le cordage ? Conclusion Le matériel instrumenté, support de l’étude Activité 6 Réaliser le diagramme S.A.D.T. du niveau A-0 du système « cordeuse de raquette en situation d’étude en laboratoire ». Préciser la frontière d’isolement et mettre en évidence la typologie des entrées, sorties et contrôles de ce système. Que deviendrait cette analyse si on vous englobait dans la frontière d’isolement ? Conclusion Comparaison réalité (système utilisé en club) / système instrumenté (système instrumenté utilisé dans le laboratoire) L’extraction puis la mise sur banc du système va permettre son étude. On peut cependant se demander quelle seront les conclusions possibles sur un tel système, en comparaison de ce qu’on obtiendrait sur le système en situation d’usage. Activité 7 Lors de mise en tension d’une corde, comment évolue la tension dans la corde si on prend en compte la déformation du cadre et la présence d’autres cordes ? Conclure quant à la cohérence et aux limites de la « réduction » réel Î instrumenté. Activités proposées – Système « Cordeuse » CI4 Page 6 sur 9 Sciences industrielles pour l’ingénieur Lycée Saint-Louis, classes de PSI TROISIÈME PARTIE Structure de la commande d’axe du système de tension de la corde Prendre connaissance du fichier résumé sur les outils de l’analyse fonctionnelle et sur la structure des chaines fonctionnelles • Fichier Outils de l’analyse fonctionnelle.pps disponible sur le réseau, dans le dossier ressource (RESSOURCES\SII\Travaux Pratiques\Outils de l'analyse fonctionnelle) Activité 8 Grâce aux documents fournis et au logiciel, identifier les différents éléments mis en évidence par le document de présentation des chaines fonctionnelles (tous ces éléments peuvent ne pas exister sur ce système) pour la chaîne fonctionnelle étudiée. Activité 9 Le document sur les chaînes d’énergie, d’action et d’information (normalisé) permet de décomposer de manière complète la structure l’asservissement : remplir ce document. QUATRIÈME PARTIE Modélisation de la commande d’axe du système de tension de la corde La cordeuse est instrumentée : des capteurs et prises de mesure ont été installés en plus des éléments existants pour enregistrer et visualiser plusieurs grandeurs physiques (tension dans la corde , déplacement et vitesse du mors de tirage, tension et intensité du moteur électrique , ….). Capteur d’effort Corde Capteur de position Capteur de position (potentiomètre rotatif) Chariot Ressort Poussoir Activités proposées – Système « Cordeuse » CI4 Moteur UI Bâti Page 7 sur 9 Sciences industrielles pour l’ingénieur Lycée Saint-Louis, classes de PSI Lors de l’opération de mise en tension de la corde, le capteur implanté dans le système réel (et étudié ensuite) permet de mesurer l’action mécanique de la chaîne sur le poussoir. Réaliser les opérations suivantes : • régler la tension (de la corde) à 100 N (10 Kgf) sur l’interface de commande de la cordeuse. • appuyer sur le bouton « Départ mesure » du tableau de bord du boîtier, ce qui déclenche la mesure (durée : 10 s) puis appuyer légèrement sur le bouton poussoir (au dessus du pupitre) pour mettre en tension la corde. • créer une perturbation en poussant sur le mors dans le sens d’une augmentation de la tension dans la corde avec une intensité la plus constante possible pendant quelques secondes. • une fois la mesure réalisée (durée : 10 s), appuyer à nouveau sur le bouton poussoir pour relâcher la tension. • importer les résultats et analyser la comparaison de l’évolution de l’effort dans le ressort et de la mesure de la tension dans la corde. Activité 10 Expliquer en quoi la grandeur asservie peut être différente de la tension dans la corde. Pour cela identifier sur le schéma bloc suivant l’entrée non définie. ? Calculateur Moteur + + Tconsigne pignon + + ? Correcteur Hacheur ? Chaîne + Tp + Tcorde – Capteur Activité 11 Réaliser la même mesure que précédemment sans appliquer d’efforts perturbateurs. Comparer alors la tension mesurée dans la corde (Fcorde) et la mesure de l’action mécanique de la chaîne sur le poussoir (Fressort). Un réglage sur l’interface de la cordeuse permet de faire varier la vitesse de mise en tension de la corde. Un appui sur la touche V fait défiler les repères 1 à 3 (en bas à gauche du clavier ) de la vitesse la plus faible à la vitesse la plus élevée. Activité 12 Montrer, dans une phase de mouvement à vide et à vitesse constante du mors de tension, qu’il est possible de mettre en évidence les actions dues aux frottements. Modéliser les par un couple résistant dont l’axe sera celui du moteur . Établir une valeur moyenne de ce couple à partir de plusieurs essais réalisés avec des vitesses différentes . Montrer que ce modèle peut se ramener à un effort résistant (dans l’axe de la chaîne) s’exerçant sur le poussoir. Tracer alors la courbe donnant cet effort en fonction de la vitesse du mors. Déduire alors la valeur du coefficient f en N.s.m-1 caractérisant le frottement visqueux et la valeur du facteur Ff caractérisant le frottement sec dans le système. La suite est optionnelle et sera reprise ultérieurement dans l’année Activités proposées – Système « Cordeuse » CI4 Page 8 sur 9 Sciences industrielles pour l’ingénieur Lycée Saint-Louis, classes de PSI Activité 13 Situer les différents capteurs sur la cordeuse et donner leur principe de fonctionnement. Identifier les capteurs présents sur la cordeuse en situation d’usage et les capteurs qui ont été ajoutés pour instrumenter le système à but didactique (donc pour faire des mesures permettant de comprendre le fonctionnement). On s’intéresse plus particulièrement au capteur d’effort présent sur la cordeuse réelle. Activité 14 Expliquer le fonctionnement de ce capteur. Préciser la nature du corps d’épreuve et du système de mesure de ce capteur. Pour quelle raison a-t-on choisi cette technologie ? Activité 15 Afin d’identifier la fonction de transfert globale, décrire le fonctionnement de ce capteur sous forme de schéma-bloc, en donnant pour chaque fonction de transfert un protocole (le plus simple possible) d’identification. Activités proposées – Système « Cordeuse » CI4 Page 9 sur 9
